Zusammenhang zwischen Farbe und Struktur (Expertenwissen)

Guten Tag und herzlich willkommen!

In diesem Video geht es um "Zusammenhang zwischen Struktur und Farbe" für den Leistungskurs. Das Video gehört zur Reihe "Farbstoffe". An Vorkenntnissen solltest du wissen, was Alkane, Alkene, aromatische Kohlenwasserstoffe und konjugierte Doppelbindungen sind. Mein Ziel ist es, euch den grundlegenden Zusammenhang zwischen Struktur und Farbe von organischen Farbstoffen zu erklären.

Den Film habe ich in 6 Abschnitte unterteilt: 1. Karotten sind orange 2. Das lange konjugierte π-System der Polyene 3. Auxochrome und Antiauxochrome am Beispiel der Cyanine 4. Zusammengefasste Farbtheorie 5. Methylorange, Malachitgrün und Indigo und 6. Überblick.  

1. Karotten sind orange

Karotten sind euch allen wohl bekannt. Das hier ist die Struktur des orangefarbenen Karottenfarbstoffs. Die orangene Farbe ist eng verbunden mit der Struktur dieses Farbstoffs. Das Molekül enthält viele Doppelbindungen. Die Doppelbindungen wechseln sich mit den Einfachbindungen ab. Man sagt dazu auch "konjugiert". Aber warum ist der Farbstoff gerade orange? Warum ist der Farbstoff zum Beispiel nicht blau oder grün oder rot?

1. Das lange konjugierte π-System der Polyene

Der Farbstoff der Karotten heißt β-Carotin. β-Carotin enthält eine Polyenstruktur. "Poly" bedeutet viel und "en" bedeutet, dass viele Doppelbindungen enthalten sind. Wichtig ist, dass diese ständig mit den Einfachbindungen wechseln, wie zum Beispiel im Butadien, oder im Hexatrien, oder im Octatetraen und so weiter. Der Farbstoff β-Carotin enthält ein Polyen mit 11 konjugierten Doppelbindungen. Damit wir es sehen können, muss weißes Licht auf das Polyen eintreffen. Ein Teil des Lichtes wird absorbiert. Beim Polyen mit 11 Doppelbindungen ist dieser Teil blau. Der übrige Teil des weißen Lichtes wird reflektiert. Er ist beim Polyen mit 11 Doppelbindungen orange.

Weißes Licht ist ein Farbgemisch von Lichtsorten unterschiedlicher Farbe. Diese verschiedenen Farben kann man in einem Absorptionsspektrum untersuchen. Sichtbares Licht überstreicht Wellenlängen, in einem Bereich von etwa 750 bis 400 nm. Bei der Farbgebung sind die Komplementärfarben von besonderer Bedeutung. Komplementärfarben sind jeweils 2 Farben des Lichtes, die sich zusammengesetzt zu weißem Licht addieren. Komplementärfarben sind Rot und Grün, Orange und Hellblau, Gelb und Dunkelblau, Grün und Rot, Hellblau und Orange. Wird die eine Komplementärfarbe absorbiert, so wird die andere Komplementärfarbe reflektiert. Diese macht zugleich die Farbe des Farbstoffes aus.

Schauen wir uns dazu die Farbigkeit der Polyene an. Wir stellen die Anzahl der Doppelbindungen n zusammen mit der Wellenlänge λ des absorbierten Lichtes und der entsprechenden Komplementärfarbe, also des reflektierten Lichtes, zusammen. Bei 1 bis 6 Doppelbindungen absorbieren die Polyene im Bereich von 180 bis 352 nm. Was ist eine Absorption im nicht sichtbaren Bereich des Lichtes? Es gibt keine Komplementärfarbe. Die Polyene sind farblos.

Bei 9 Doppelbindungen wird es interessant, denn hier absorbiert das Polyen bei 412 nm, das entspricht der Farbe Blau. Daher ist die Komplementärfarbe Gelb. Bei 11 Doppelbindungen wird bei 452 nm absorbiert. Das entspricht dem hellblauen Bereich. Die  Komplementärfarbe dazu ist Orange. Genauso viele Doppelbindungen enthält der Farbstoff der Karotten, β-Carotin. Bei 19 Doppelbindungen findet die Absorption im grünen Bereich statt. Die dazugehörige Komplementärfarbe ist Rot. Wir stellen fest: Mit zunehmender Größe des konjugierten Systems kommt es zu einer Verschiebung der Farbe von Gelb über Orange, Rot, Blau bis Grün.

Diese Erscheinung kann man erklären. Wir betrachten die Polyene mit zunehmender Anzahl n von Doppelbindungen. Dabei schauen wir uns die Lage des niedrigsten, unbesetzten Molekülorbitales, des LUMOs an. Außerdem wird die Veränderung der Lage des HOMOs, des höchsten besetzten Molekülorbitals betrachtet. Bei kleinem n ist die Differenz zwischen LUMO und HOMO hoch. Es findet keine Anregung statt. Bei höherem n wird im blauen Bereich absorbiert. Der Stoff ist gelb. Ist er noch höher, ist die Absorption im blauen Bereich. Das reflektierte Licht, die Farbe, ist Orange. Mit zunehmender Anzahl von Doppelbindungen erhalten wir: Grün und Rot, Gelb und Violett, Orange und Hellblau und schließlich Rot und Grün. Dann findet keine Absorption mehr statt. Bei zu hoher HOMO-LUMO-Differenz, beziehungsweise bei einem zu kleinen Wert der Differenz, sind die entsprechenden Polyene farblos. Die Absorption findet im UV- beziehungsweise im IR-Bereich statt.

1. Auxochrome und Antiauxochrome am Beispiel der Cyanine

Bei einem Polyen bestehen die jeweils 2. Bindungen der Doppelbindungen aus π-Elektronen. Die π-Elektronen sind delokalisiert, das heißt über das gesamte π-System verteilt. Diese Verteilung ist jedoch nicht besonders effektiv. Anders sieht die Situation bei so genannten Cyaninen aus. Sie besitzen am Anfang ein Antiauxochrom, das zeigt einen (-M)-Effekt. Am Ende weisen sie ein Auxochrom auf, das hat einen (+M)-Effekt. Zu dieser Struktur kann man eine völlig äquivalente 2. Struktur aufzeichnen. Auxochrom und Antiauxochrom haben die Plätze getauscht. Man erhält 2 mesomere Grenzstrukturen. Im Ergebnis ergibt sich eine vollständige Delokalisation der Doppelbindungen. Für die Farbigkeit hat das direkte Konsequenzen. Ein Polyen benötigt 9 konjugierte Doppelbindungen, um farbig zu sein. Bei einem Cyanin reichen dafür bereits 2 Doppelbindungen aus.

1. Zusammengefasste Farbtheorie

Wenn weißes Licht auf einen Farbstoff gelangt, wird ein Teil dieses Lichtes absorbiert. Der 2. Teil des Lichtes bildet die Farbe dieses Farbstoffes. Es ist der reflektierte Teil. Farbigkeit zeigen organische Moleküle mit konjugierten π-Systemen. Wenn die LUMO-HOMO-Differenz zu groß ist, findet keine Absorption statt. Bei zu geringer LUMO-HOMO-Differenz gibt es ebenfalls keine Absorption. Im 1. Fall findet die Absorption im UV-Bereich statt, im 2. Fall im IR-Bereich. Die LUMO-HOMO-Differenz ist genau dann richtig, wenn aus dem sichtbaren Bereich des Lichtes absorbiert wird. Die Komplementärfarbe ist dann die Farbe des Farbstoffes.

1. Methylorange, Malachitgrün und Indigo

Methylorange ist ein orangefarbener Farbstoff. Das ist seine Struktur. Das π-System von Methylorange ist relativ klein. Die Absorption findet im hellblauen Bereich statt. Die Komplementärfarbe dazu ist Orange. Und das eben ist die Farbe des Farbstoffes. Malachitgrün hat ein großes π-System. Der Farbstoff verfügt über Antiauxochrome und Auxochrome. Die LUMO-HOMO-Differenz ist klein. Es wird im roten Bereich absorbiert. Entsprechend ist die Farbe von Malachitgrün Grün. Das ist der Farbstoff Indigo. Hier ist die Struktur des Indigo. Es findet eine mittlere Delokalisation der Elektronen statt. Entsprechend ist die LUMO-HOMO-Differenz mittelgroß. Sie liegt im orangefarbenen Bereich. Die entsprechende Komplementärfarbe dazu ist Hellblau.

1. Überblick

Die notwendige Bedingung für Farbigkeit ist, dass aus dem Bereich des weißen Lichtes eine Absorption stattfindet. Dafür ist eine konjugierte Struktur des Moleküls und eventuell ein Vorhandensein von Antiauxochromen und Auxochromen notwendig. Die LUMO-HOMO-Differenz muss im Bereich von 400 bis 750 nm, dem Bereich des sichtbaren Lichtes liegen. Bei einer Absorption wird die entprechended Farbe, hier Rot, aus dem weißen Licht ausgeschnitten. Die Komplementärfarbe, hier Grün, ist die Farbe des Farbstoffes.   Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!